Examensarbete, 15 hp
Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik, 180 hp
Vt 2020
3D-SKANNING AV OBJEKT SKAPAD I CAD – METOD OCH
TOLERANSANALYS
3D-scanning of CAD-designed objects – method and tolerance analysis
Filip Larsson
i
Förord
Det här examensarbetet har genomförts under våren 2020 på Institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitet. Examensarbetet är den avslutande kursen för utbildningen högskoleingenjör i maskinteknik. Kursen är på 15 hp och utbildningen omfattar totalt 180 hp.
Jag vill börja med att ge ett stort tack mina handledare Florian Schmidt och Sven Rönnbäck för alla givande samtal och den goda handledningen under hela projektets gång.
Jag vill även tacka Fredrik Holmgren, William Sjölund och Tomas Lindehell för deras hjälp och goda råd som har underlättat arbetsgång. Jag vill även tacka Viktor Persson och Ellenor Persson för ett gott samarbete mellan alla individuella projektet som berörde 3D-teknik.
Filip Larsson Umeå 2020
ii
Sammanfattning
I detta examensarbete beskrivs, testas och utvärderas tekniken strukturerat ljus 3D-skanning under användning av en kommersiell 3D-skanner. Arbetet utfördes på institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitet och tanken med arbetet var att det ska underlätta implementering av 3D-skanning i undervisningen för högskoleingenjörsprogrammet maskinteknik.
Tre olika objekt skapades i CAD och skrevs ut i en 3D-skrivare för att sedan skannas in med 3D- skannern. En noggrann toleransanalys med en tolerans på 0,2 mm utfördes genom att mäta och jämföra olika mått mellan CAD-modell, 3D-utskriven modell och 3D-skannad modell. Hela processen från CAD till insamling av mätdata och inskannad 3D-modell är väldokumenterad i form av en guide. Det beskrivs vilka tekniska funktioner skannern har och om den uppfyller kraven som ställs på dess noggrannhet och precision.
Resultaten för arbetet visar att skannern är kapabel att återskapa fysiska objekt med stor noggrannhet och kan användas för att göra en toleransanalys. Beroende på typ av objekt, kommer en av de tre olika skanningsmetoderna, Fixed Scan, Rapid Scan eller HD Scan ge bäst prestanda.
Utifrån resultaten för de objekt som skapades kan man se att skannern är mest lämpad för att skanna detaljrika objekt, avancerade geometrier och ytor med låg reflektion.
iii
Abstract
In this thesis, the technology structured light 3D-scanning is described, tested and evaluated using a commercial 3D-scanner. The work was carried out at the Department of Applied Physics and Electronics at Umeå University and the idea of the work was to facilitate the implementation of 3D-scanning in the mechanical engineering program.
Three different objects were created in CAD and printed out from an 3D-printer and then scanned in with the 3D-scanner. A detailed tolerance analysis with a tolerance of 0.2 mm was performed by measuring and comparing different distances on the CAD model, the 3D-printed model and the 3D-scanned model. The entire process from CAD to collection of measurement data and 3D- scanned model is well documented in the form of a guide. It describes the technical functions of the scanner and whether it meets the requirements for its expected accuracy and precision.
The results of the work show that the scanner is capable of recreating physical objects with great accuracy and can be used to perform a tolerance analysis. Depending on the type of object being scanned, one of the available three different scanning methods, Fixed Scan, Rapid Scan or HD Scan, will provide performance. Based on the results of the objects created, it can be seen that the scanner is best suited for scanning detailed objects, advanced geometries and surfaces with low reflectivity.
iv
Innehållsförteckning
1. Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Syfte ... 1
1.3 Mål ... 1
2. Teori ... 2
2.1 3D-tekniker idag ... 2
2.2 Strukturerat ljus 3D-skanning ... 2
2.4 Olika typer av strukturerat ljus ... 4
2.4.1 Sekventiella projektionstekniker ... 4
2.4.2 Kontinuerligt varierande mönster ... 5
2.4.3 Linjeindexering ... 5
2.4.4 Rutnätindexering ... 5
2.5 Framtida skanningsmetoder av strukturerat ljus. ... 5
3. Hårdvara ... 7
3.1 Experimentell uppställning ... 7
3.2 Handhållen 3D-skanner... 7
3.3 3D-skrivare ... 8
4. Mjukvara ... 10
4.1 Mjukvaran EXScan Pro ... 10
4.1.1 Kalibrering av skanner ... 10
4.1.2 Val av skanningsmetod ... 11
4.1.3 Inskanning av objekt ... 13
4.1.4 Efterbehandling av inskannat objekt ... 13
4.1.5 Mätning av distanser på inskannat objekt ... 14
4.2 Ultimaker Cura ... 14
4.3 SOLIDWORKS ... 15
5. Val och konstruktion av objekt ... 16
5.1 Val av geometrier för skruv ... 16
5.2 Val av geometrier för timglas... 16
5.3 Val av geometrier för kub ... 17
6. Val av mått på objekt för toleransanalys... 18
6.1 Distanser/streck på skruv ... 18
6.2 Distanser/streck på timglas ... 19
6.3 Distanser/streck på kub ... 20
7. Metod ... 21
7.1 Skapa objekt i SOLIDWORKS ... 21
v
7.2 Förberedelser i Ultimaker Cura inför utskrift ... 21
7.3 Utskrift av objekt i 3D-skrivare ... 22
7.4 Skanna objekt med 3D-skanner och titta på dess mått ... 22
7.5 Toleransanalys med de olika måtten ... 22
8. Resultat ... 24
8.1 Resultat för objekt Skruv ... 24
8.2 Objekt Timglas ... 26
8.3 Objekt Kub ... 28
9. Diskussion och slutsatser ... 30
9.1 Allmän analys av de olika resultaten ... 30
9.1.1 Diskussion för resultat av skruv... 30
9.1.2 Diskussion för resultat av timglas... 30
9.1.3 Diskussion för resultat av kub ... 31
9.1.4 Diskussion kring skanner ... 31
9.2 Diskussion kring arbetets utförande ... 31
9.3 Diskussion av måluppfyllelse ... 32
9.4 Diskussion av referenser och källor ... 32
9.5 Användningsområden i framtiden ... 32
9.6 Slutsatser... 33
Referenser ... 34 Bilagor
B1
1. Introduktion
Detta kapitel beskriver bakgrunden, problembeskrivningen, syftet och målen med projektet.
1.1 Bakgrund
Umeå universitet är ett av Sveriges största universitet med ungefär 35 000 studenter inklusive forskarstuderande, och ungefär 2100 forskare och lärare [4]. Universitetet har ett stort utbud av utbildningar och forskning inom diverse olika områden, som naturvetenskap, teknik, ekonomi och medicin.
Institutionen för tillämpad fysik och elektronik (TFE) utbildar bland annat högskoleingenjörer inom maskinteknik, byggteknik, energiteknik och elektronik och data [5]. TFE har forskargrupper inom två huvudområden, energiteknik och elektro/systemteknik.
Detta examensarbete är utfört på uppdrag av TFE, som har införskaffat en 3D-skanner för avbildning av ytor och vill implementera den i undervisningen. Skannern är handhållen och använder sig av tekniken strukturerat ljus (eng. ’’structured light’’) 3D-skanning/avbildning.
Eftersom 3D-tekniker i dagsläget utvecklas fort har ingen litteratur köpts in. Istället hämtades kunskap om tekniken från publicerade forskningsartiklar, och det ska belysas vilka tekniker som tros ska komma i framtiden. Rapporten ska kunna användas som en guide för hur lärare och studenter på universitet ska gå tillväga för att få kunna utföra arbetsuppgifter på ett bra sätt med skannern. Det kan vara allt från laborationer eller att det behövs till att mäta objekt som skapats i 3D-skrivaren eller CNC maskinen för att kunna se hur bra toleranser objekten har.
1.2 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att utvärdera 3D-skannerns prestationsförmåga för olika typer av CAD-skapade objekt med hjälp av toleransanalyser. Det ska studeras om objekten behåller sina originaldimensioner från CAD till den slutgiltiga 3D-modellen, samt att se vilka typer av geometrier som skannern är mest lämpad för.
1.3 Mål
För att uppnå syftet med projektet har följande mål specificerats:
1. Utföra en litteraturstudie och förstå hur 3D-skannern samt tekniken strukturerat ljus fungerar.
2. Utföra en vetenskaplig analys (som innehåller minst tre olika vetenskapliga artiklar) kring strukturerat ljus metoden och vilka andra tekniker som finns inom 3D-skanning samt vilka som tros komma till användning i framtiden.
3. Förstå hur man går från att designa ett objekt i CAD-program till att skriva ut det i en 3D- skrivare för att sedan skanna det med 3D-skannern.
4. Konstruera en experimentell uppställning för 3D-skanning med hårdvaran och installera alla mjukvaror som behövs och förstå hur de fungerar.
5. Skapa minst två objekt i CAD med olika geometrier och skriv ut objekten med 3D- skrivare. 3D-skanna sedan objekten.
6. Utföra en toleransanalys på objekten och 3D-modellen och dokumentera hela processen.
7. Analysera/diskutera hur man kan använda 3D-skannern, så det är av nytta för lärare och studenter på TFE.
2
2. Teori
I detta avsnitt kommer det tas upp vilka 3D-skanningstekniker som finns idag. Det beskrivs även hur strukturerat ljus fungerar samt några olika typer av strukturerat ljus. Slutligen kommer det att tas upp hur tekniken kan komma att fungera i framtiden.
2.1 3D-tekniker idag
3D-skanning blir allt vanligare på arbetsmarknaden i och med att tekniken underlättar vardagliga arbeten för till exempel ingenjörer, läkare och spelskapare. ’’Computed Tomography (CT)’’ samt
’’Magnetic Resonance Imaging (MRI)’’ är exempel på tekniker som avbildar insidan på det som skannas. Dessa tekniker används dagligen inom sjukvården för att undersöka insidan av kroppsdelar, organ och ben som kan vara skadade. CT avbildar hårda material som till exempel ben, medan MRI används för att undersöka organ och muskelvävnad, alltså mjuka material [6].
Andra typer av 3D-avbildningstekniker används för att skanna av ytor och sedan återskapa ytan som en digital 3D-modell av objektet. Dessa tekniker är vanlig inom det maskintekniska området.
Ytavbildningstekniker blir mer implementerad i ingenjörernas vardag, då det underlättar analyser av ytor med svåra geometrier som inte går eller tar för lång tid att framställa i CAD. Tekniken används mycket inom till exempel bilindustrin, underhållningsindustri (spel och film) och arkitektur. Det finns fyra olika tekniker som används flitigt i dagsläget och dessa är fotogrammetri, kontaktskanning, laserskanning och slutligen strukturerat ljus [2]. Alla teknikerna bygger på att ytan av det valda föremålet skannas med hjälp av ljus, (exempelvis projicerade mönster eller laserljus) eller genom fysisk kontakt och avbildas som en digital 3D-modell. Ytstrukturen beräknas på olika sätt beroende på vilken typ av skanning som används.
2.2 Strukturerat ljus 3D-skanning
Ett strukturerat ljusfälts 3D-avbildningssystem består av en ljusprojektor och kameror som agerar insamlingsenheter med mikrolins framför en avbildningssensor. Strukturerat ljus är en optisk 3D- avbildning av olika föremål, som bygger på att projektorn projicerar ljus med olika intensiteter som kallas för ’’fringe’’ mönster. ’’fringe’’ mönstret är de mörka eller ljusa band som projiceras på en yta för att sedan reflekteras in i kameran. Kameran registrerar ljustrålarna och bearbetar de individuellt med hjälp av sambandet mellan intensiteten, fasen och djupet på ytan där ljuset projiceras [9]. Det som möjliggör framställningen av konturerna på en 3D-modell är att det finns ett samband mellan djupet och fasen på ljusstrålarna. Det är genom detta samband som 3D- avbildningen skapas.
Fördelarna med strukturerat ljus är att det möjliggör kontaktlös inskanning av objekt. Tekniken används mycket inom industri, biomedicin och många fler områden [9]. För att enklare förstå hur struktuerat ljus fungerar illustreras det med hjälp av figur 1.
3 (a) (b)
Figur 1. (a) Schematisk illustration av (strukturerat ljusfält 3D-avbildningssystem.) av en projektor och en plenoptisk ljusfältkamera, (b) XOZ-koordinatsystem där referensplanet är Z=0 [9].
Punkten (P) är projektorns mittpunkt, se figur 1 (a). De streckade linjerna illustrerar ljusstrålarna som träffar ett objekt med olika infallsvinklar. Ljusstrålarna som träffar ytan får olika faser beroende på vart de träffar objektet. Kameran registrerar ljusstrålen (BC) som reflekteras från objektets yta i punkterna (B) och (C). Hela händelseförloppet förtydligas med figur 1 (b) och beskrivs med ekvationerna 1, 2 och 3 [9].
𝐵 = (𝑋𝐵(𝑢), 𝑍𝐵(𝑢)) (1)
𝐶 = (𝑋𝐶(𝑠), 𝑍𝐶(𝑠) (2) 𝑃 = (𝑋𝑃, 𝑍𝑃) (3)
Koordinaterna för en specifik punkt i en ljusstråle kan beskrivas som en funktion av (u) och (s), där (u) och (s) är parallella plan i kameran, XB (u) är X-koordinaten för punkten B på plan (u), ZB (u) är Z-koordinaten för punkten B på plan (u), XC (s) är X-koordinaten för punkten C på plan (s), ZC (s) är Z-koordinaten för punkten C på plan (s), Zp är Z-koordinaten för punkten P, Xp är X-koordinaten för punkten P.
I fall det projicerade ljusmönstret har sinusformiga intensitetvariationer kan föremålets ytstruktur beräknas genom följande ekvationer [9]:
Intensiteten av det projicerade ljuset kan då skrivas som
𝐼(𝑋) = 𝑎 + 𝑏 cos (2𝜋𝑓𝑋) (4) där a är intensiteten av bakgrundsljuset, b är amplituden på intensitetsvariationen och f är frekvensen för den spatiella separationen.
Intensiteten av det reflekterande ljuset kan skrivas som
L(𝑢, 𝑠) = 𝑅(𝑢, 𝑠) × (𝑎 + 𝑏 𝑐𝑜𝑠∅) = 𝑅𝑎(𝑢, 𝑠) + 𝑅𝑏(𝑢, 𝑠)𝑐𝑜𝑠∅ (5) där R(u,s) är reflektionen av ett objekts yta som beror på stålens riktning L(u,s). Raär bakgrunds intensitet, Rb är variationens intensitet längs med strålen L(u,s) och ∅ är fasvariation.
4 Fasvariationen när ljusstrålen reflekteras mot ett referensplan kan beskrivas som
∅𝑟𝑒𝑓= 2 𝜋𝑓𝑋𝐴 (6) där den projicerade ljusstrålen (PA) träffar och reflekteras i punkten (A) på referensplanet (Z=0), se figur 1 för en illustration av hur ljuset reflekteras mot referensplanet.
Fasvariationen när ljusstrålen reflekteras mot ett okänt objekt kan beskrivas som
∅𝑜𝑏𝑗 = 2𝜋𝑓𝑋𝐸 (7) där den projicerade ljusstrålen (PE) träffar och reflekteras i punkten (D) med djupet (d) mot referensplanet (Z=0), se figur 1 för en illustration av hur reflekteras mot ett objekt.
Fasskillnaden mellan ljus reflekterat från ett objekt och ljus reflekterat från en referensyta ges då av
Δ∅ = ∅𝑜𝑏𝑗− ∅𝑟𝑒𝑓= 2𝜋𝑓(𝑋𝐸− 𝑋𝐴) (8)
Djupet på föremålet, d, bestäms med hjälp av fasskillnaden samt punkt (B) i ekvation 1, punkt (C) i ekvation 2 och punkt (P) i ekvation 3, genom
𝑑(𝑢, 𝑠; ∆∅) = 𝑍𝑃∆∅
2𝜋𝑓[ 𝑍𝐶 (𝑠)+𝑍𝑃
𝑍𝐶 (𝑠)−𝑍𝐵 (𝑢)(𝑋𝐵 (𝑢)−𝑋𝐶 (𝑠))+𝑋𝐶 (𝑠)+𝑋𝑃]+∆∅ (9)
2.4 Olika typer av strukturerat ljus
I detta avsnitt kommer olika typer av ljustekniker som används inom strukturerat ljus att beskrivas kort [10].
2.4.1 Sekventiella projektionstekniker Binary Code:
Den binära kodningstekniken använder sig av ljus i form av vita och svarta streck i ett projektionsmönster. Punkterna som skapas från ljuset innehåller binära koder som är unik för just den punkten och skiljer sig därmed från andra punkters kod. När mönstret projiceras på ett objekts yta kan 3D-koordinaterna (X, Y, Z) definieras och en 3D-modell av objektet återskapas virtuellt.
Gray Code:
Gråkodning använder sig av en teknik som är lik den binära kodningstekniken. Det som skiljer dessa är att gråa streck läggs till bland de vita och svarta strecken för att minska antalet mönster som behövs för att få högupplösta 3D-bilder av föremål.
Phase Shift:
Fasvariationstekniken använder sig av skillnader i faser på ljus som projiceras på en 2D-yta och reflekteras till en kamera för att sedan avbildas digitalt som en 3D-modell. Tekniken presenteras i kapitel (2.2).
Hybrid: Gray Code och Phase Shift:
Kombinationstekniken bestående av fasvariationstekniken och gråkodning som bestämmer fasen utan oklarhet. Tekniken används för att förhindra att fasskillnaden inte känner igen två ytor som är relativa till varandra.
5 2.4.2 Kontinuerligt varierande mönster
Rainbow 3D Camera:
Denna teknik använder sig av en färgprojektor som projicerar ljus med olika våglängder/faser på ett objekts yta. Geometrin av färgprojektorn möjliggör en överensstämmelse mellan vinkeln av det projicerade ljuset och en specifik våglängd som färgkameran fångar upp. Därav är det lätt att identifiera markeringar för varje punkt på ytan.
2.4.3 Linjeindexering Color Coded Stripes:
Är en metod då projektorn projicerar ljus i olika färger för att förbättra 3D-avbildningens noggrannhet. Tekniken kan även använda flera olika färger i en enda färgprojektion, där man oftast väljer färger som är lätta att skilja från varandra.
Segmented Stripes:
Denna metod använder sig av unika mönster på de olika linjerna som projiceras. Detta
underlättar 3D-avbildning av den skannade ytan genom att det blir lättare att skilja åt linjerna då de har individuella mönster.
Gray Scaled Coded Stripes:
Om det finns flera olika intensitetsnivåer på ljuset som projiceras på en yta används denna teknik för att organisera de olika intensitetsnivåerna genom att det skapas ett unikt intensitetmönster för en viss längd av ljuset mellan de olika färgerna.
De Brujin Sequence:
Denna teknik har en unik funktion att skapa lokala variationsmönster på en projektion av vita, svarta och grå streck som inte upprepar sig själv.
2.4.4 Rutnätindexering Pseudo Random Binary-Dots:
En teknik som använder sig av matriser och bygger ett unikt kodat rutnät som sedan fylls i med unika mönster av punkter som sedan projiceras på ett objekts yta.
Mini patterns Used as Code Words:
Denna teknik bygger upp små mönster genom speciella koder som formar ett rutnät med projektionsmönster på. Tekniken använder sig av de unika koderna i matriser för att avbilda projektionsljus.
Color Coded Grids:
Denna teknik använder sig av ett 2D-rutnät som kodas med vertikala och horisontella linjer med olika färger. Linjernas kodningsscheman kan se likadana ut eller vara helt olika.
2D Color Coded Dot Array:
En teknik som genererar slumpmässiga samlingar av färgpunkter som verifieras innan tilläggning för att de ska vara unika. Det skapas tre punkter åt gången som läggs till då det verifierats och därav blir det alltid olika kombinationer av mönster.
2.5 Framtida skanningsmetoder av strukturerat ljus.
Utvecklingen av 3D-ytskanning med strukturerat ljus går snabbt framåt. I framtiden tros tekniken komma att utvecklas ännu mer mot högre effektivitet och intelligenta system. En metod för få strukturerat ljus att bli mer effektivt och snabbare är genom att skapa ett fläckmönster inbäddat i fasförskjutningen, som kameran registrerar med 5000 bilder per sekund [12]. En annan möjlighet är att ta bort bearbetningen av ljusstrålarnas faser för att undvika fastvetydighet [13]. Med ännu
6 snabbare kameror kan det i framtiden vara möjligt att implementera tidsupplöst 3D-skanning, dvs. att skanna in objekt som rör sig, och upplösa rörelsen [11].
7
3. Hårdvara
I detta avsnitt kommer all hårdvara som har använts under projektet presenteras.
3.1 Experimentell uppställning
Under projektet användes en uppställning av skannern och dess olika tillbehör. Den experimentella uppställningen användes endast för objekt som skannades med Fixed Scan på det roterbara bordet, se figur 2. Det gjordes även handhållna inskanningar av objekten, som utfördes på platser där förhållandena var optimala.
Figur 2. Experimentell uppställning med dator, handhållen 3D-skanner och tillbehör.
3.2 Handhållen 3D-skanner
Den handhållna 3D-skannern har namnet EinScan Pro 2X Plus, se figur 3. Skannern har en skanningsyta med måtten 208 x 136 mm – 312 x 204 mm [1]. Det rekommenderade avståndet mellan skanner och objekt är 510 mm [1].
Figur 3. EinScan Pro 2X Plus.
Det tillkommer även tillbehör som kan hjälpa vid olika skanningar, färgkamera (Color Pack), se figur 4 (a), HD-kamera (HD Prime Pack), se figur 4 (b) och även ett roterbart bord finns, se figur 4 (c). HD Scan och färsskannings kameran appliceras till skannern via USB som finns inbyggt i skannern och därefter låses den fast med hjälp av en låsanordning. För att sedan kunna skanna av ett objekt och få med dess färger eller för att få det i HD beroende på vad som önskas.
8
(a) (b) (c)
Figur 4. (a) Färgkamera, (b) HD-Kamera, (c) Roterbart bord.
3.2.1 Faktorer som påverkar skanningen
Det finns flera olika faktorer som avgör hur bra det slutgiltiga resultatet av en skanning blir och som därför bör beaktas. Här kommer några tips som är att tänka på inför en skanning:
• Objektets ytor bör vara varierande för att skannern ska ha lätt att identifiera dess geometrier. Skannern har svårt för runda objekt eller helt fyrkantiga där det blir en skarp kant. Om ett objekt har likadana ytor på närliggande ställen har skannern svårt att urskilja att det är en ny yta som skannas.
• Objektets ytor bör inte vara svarta eller mörka, då dessa reflekterar för lite ljus. Objekt med transparenta ytor kan ej skannas på grund av att ljuset inte reflekteras. Det ska även undvikas ytor som är vita, då dessa kan reflektera förmycket ljus. Om objektet har hög- reflekterande ytor och inte kan målas om, kan exempelvis babypulver eller ett annat icke reflekterande material tillfälligt appliceras på föremålets ytor.
• Objektet bör inte vara mindre än 30 x 30 x 30 mm och inte större än 3 x 4 m. Beroende på föremålets dimensioner väljs även vilken skanningsmetod som passar föremålet.
• Kalibrering av skannerns avstånd bör göras med hög noggrannhet. Noggrannare kalibrering ger ett bättre slutresultat.
• Undvik att skanna med bakgrundsljus, dvs. ljus som inte kommer från projektorn. Om möjligt, ska man skanna i ett mörkt rum med få andra ljuskällor.
3.3 3D-skrivare
3D-skrivaren är en Ultimaker S5 som har en byggvolym på 330 x 240 x 300 mm [3], se figur 5.
Utskrivningshastigheten för skrivaren kan maximalt vara 24 mm3 per sekund och den kan arbeta med temperaturer upp till 280 grader Celsius [3]. Skrivaren har två utbytbara munstycken som den arbetar med för att kunna använda två olika material på samma utskrift. De utbytbara munstyckena finns i fyra olika storlekar och används beroende på om framställningen av objektet ska gå snabbt eller ha finare detaljer.
9 Figur 5. Ultimaker S5.
Om objektet som skrivs ut har överhängande geometrier ska ’’support’’ användas. Det är att ett material av typen PVA (Poly Vinyl Alkohol) byggs runt materialet och blir ett stöd där överhängande områden finns. Om inte support används är det stor risk att utskriften får defekta områden då materialet inte hinner stelna tillräckligt fort och därav hänger ner. Resterande material är av olika typer och det finns totalt upp till 44 olika typer av utskriftsmaterial [8]. Det som återfinns vid universitet är för det mesta PLA (Polylactic Acid) och ’’PLA Though’’, som finns i elva olika färger.
PLA körs i munstycke ett eftersom skrivaren alltid använder sig av munstycke ett som standard vid utskrifter och PVA körs i munstycke två. Detta för att inget byte av material ska behövas om support är nödvändigt. Se bilaga 1 och 2 för objekt med överhängande geometrier som har körts med support och sedan rengjorts med vatten.
10
4. Mjukvara
I detta avsnitt kommer alla program som behövs för att gå från CAD till toleransanalys med 3D- skannern att beskrivas. Detta för att ge en uppfattning om hur mjukvaran fungerar och förstå deras viktigaste funktioner för detta arbete.
4.1 Mjukvaran EXScan Pro
EXScan Pro är skannerns mjukvara. Med hjälp av mjukvaran bestäms det hur skannern ska skanna och vilken skanningsmetod som ska användas. Mjukvaran hjälper användaren att se vad som händer då ett objekt skannas. Programmet talar om när skannern är för nära eller långt borta och det skannade området och visualiseras direkt på skärmen. Då kan det ses vad som skannats och vad som har missats. Det krävs fem olika steg för att kunna genomföra en inskanning och till sist mäta det skannade objektet, dessa är:
1. Kalibrering av skanner (Calibration).
2. Val av skanningsmetod (Scan Mode).
3. Skanning av objekt (Scan)
4. Efterbehandling av skanning (Post Processing)
5. Mätning av distanser på inskannat objekt (Measurment)
4.1.1 Kalibrering av skanner
Det första som behöver utföras innan en skanning kan genomföras är en kalibrering av skannern.
Kalibreringen utförs med hjälp av en kalibreringsplatta som följer med skannern, se figur 6. Det är fem olika steg som behöver kalibreras, med olika vinklar och höjder (430 mm, 470 mm, 500 mm 530 mm och 560 mm), se figur 7. Då skannern har kalibrerat in en av höjderna blir den kolumnen grönmarkerad. För att kunna gå vidare till steg två krävs det att alla olika höjder är grönmarkerade.
Om inte en kolumn blir grönmarkerad och det står ’’Too far move closer’’ gå längre upp eller ner med skannern tills kolumnen blir grönmarkerad. Stegen följs enligt beskrivningarna och det finns även en video som visar hur varje steg ska kalibreras in. Kalibreringen är nödvändig för att få ett så bra resultat som möjligt om kalibreringen görs bra är den bästa möjliga noggrannheten 0,04 mm.
Beroende på hur många skanningar som utförs är det lämpligt att om kalibrera skannern med jämna mellanrum för att bibehålla en bra kalibrering av skannern. Enligt EinScans egna manual (User Manual-EXScan Pro V3.2.0.2.pdf, 2019-05-05) är det rekommenderat att kalibrera om skannern om följande situationer inträffar:
• Om skannern har förflyttats mycket.
• Om noggrannheten på inskanningarna har minskat.
• Om skannern inte har blivit kalibrerad på 15 dagar.
• Efter att färgkameran har blivit inkopplad.
• Om en ny skanner används.
11 Figur 6. Kalibreringsplatta som används vid kalibrering av skannern.
Figur 7. Kalibrering av skanner i EXScan Pro.
4.1.2 Val av skanningsmetod
Det finns tre olika skanningsmetoder, de olika metoderna som finns är Handheld Rapid Scan, Fixed Scan och Handheld HD Scan. Beroende på vilken metod som används blir det olika noggrannheter på skanningarna:
• Handheld rapid Scan (upp till 0,1 mm noggrannhet) [7].
• Handheld HD Scan (Upp till 0,05 mm noggrannhet) [7].
• Fixed Scan (0,04 mm singel bild noggrannhet) [7].
Figur 8. Meny för val av skanningsmetod i EXScan Pro.
12 De olika skanningsmetoderna har olika fördelar och nackdelar. Valet av skanningsmetod bestäms utifrån vilket objekt som ska skannas. Rekommendationer för hur man väljer mellan de olika metoderna utifrån objekt:
• Fixed Scan rekommenderas att användas på objekt med en diameter som är mindre än 150 mm.
• Handheld HD Scan rekommenderas att användas då objektet är svårförflyttat eller för stort för rotationsbordet (Fixed Scan), fungerar på de flesta storlekar och geometrier om markeringar appliceras överallt på objektet. Denna metod tar längre tid än Rapid Scan.
• Handheld Rapid Scan är den snabbaste skanningstypen som kan skanna objekt upp till 3 x 4 m men kan inte skanna små objekt med enkla geometrier.
4.1.2.1 Inskanningsmetod Fixed Scan
Fixed Scan är en metod där skannern ligger på ett stativ för att kunna ta bilder från samma position flera gånger, skannern riktas mot ett objekt som ligger på ett roterbart bord. Då objektet ligger på bordet justeras skannerns bild in med hjälp av ett kors som projiceras från skannern mot objektet, för att se när avståndet är optimalt. När korset är synligt på objektet väljer man i programvaran EXScan Pro hur många rotationer (maximalt 180 rotationer) som ska utföras för att sedan skanna objektet stegvis. Likt fotogrammetri utför skannern en skanning av objektet för att sedan rotera ett steg och sedan ta en ny skanning tills alla steg är utförda och skanningen är klar. Färgskanning kan även användas vid Fixed Scan.
Då objektet står på det roterbara bordet kan inte skannern få med sidan som ligger mot det roterbara bordet, eftersom skannern skannar ovanifrån eller horisontellt på objektet. Om detta uppstår är det bara att skanna objektet igen efter första skanningen och lägga den sida som redan är skannad nedåt mot det roterbara bordet. Programmet gör automatiskt en justering (Alignment) av de olika skanningarna om en tredjedel av den första skanningen är med på den nya skanningen.
Om inte det inträffar måste en manuell justering utföras för att skanningarna ska justeras ihop.
4.1.2.2 Inskanningsmetod Handheld HD Scan
Handhållen HD skanning är en metod då kameran registrerar motsvarande 1,100,000 punkter i sekunden och tar 20 bilder per sekund [1] metoden ger en detaljrik bild av det skannade objektet.
För att skanna ett föremål med HD Scan finns det två olika metoder. Den första metoden är att använda markeringar (eng. ’’markers’’) som appliceras på föremålets ytor där skanning ska utföras.
Då använder skannern sig av markeringarna för att känna av föremålets geometrier (eng.
’’features’’) och den metoden är lämpad för objekt med enkla geometrier. Den andra metoden är att inte använda markeringar och bara skanna med HD kameran. Den metoden kan användas om föremålet har mer varierande geometrier.
4.1.2.3 Inskanningsmetod Handheld Rapid Scan
Handhållen snabb skanning är en metod då kameran registrerar motsvararande 1,500,000 punkter i sekunden och tar 30 bilder per sekund [1]. Det är den metoden som är mest lämpad för detaljrika och varierande geometrier. Rapid Scan kan använda färgkameran om behov finns att skanna in ett objekt med färg. Till skillnad från HD Scan har Rapid Scan inte samma detaljnivå, däremot går skanningen snabbare.
13 4.1.3 Inskanning av objekt
Vid de olika skanningarna är det viktigt att rätt ljusstyrka används. Det ställs in manuellt innan skanningen påbörjas för att skannern ska känna av objektets yta på bäst möjliga sätt. Nedan i figur 9 illustreras olika ljusstyrkor med tre bilder:
• (a) har för lite ljus då det inte finns något rött på objektet, skannern kommer inte kunna få med alla geometrier på grund av att det är för lite ljus som reflekteras.
• (b) har rätt mängd med ljus det ses genom att det är en blandning av rött och vitt på objektet.
• (c) har för mycket ljus då det är mycket rött på objektet, skannern kommer få svårt att skanna då det blir mycket ljus som reflekteras.
(a) (b) (c)
Figur 9. (a) Underexponerad, (b) Välexponerad, (c) Överexponerad
Efter skanningen är utförd behöver objektet göras till en solid form. Det gör man med ’’Mesh Model’’ som är att programmet skapar en solid modell av föremålet utifrån de punkter och polygoner som skapats. Det finns två sätt att ’’mesha’’ ett objekt:
• ’’Watertight Model’’ skapar en solid modell av det skannade föremålet. Används när man vill skriva ut ett skannat föremål direkt med hjälp av 3D-skrivare.
• ’’Unwatertight Model’’ bygger ett skal av det skannade föremålets yta. Används när föremålet ska efter bearbetas i CAD-mjukvara.
Figur 10. Val av Mesh Model i EXScan Pro.
4.1.4 Efterbehandling av inskannat objekt
Efterbehandling är det sista som utförs innan en mätning eller utskrift av objektet. Det finns fyra olika funktioner, dessa är:
• Hole Filling: Fyller igen hål som har missats under skanningsprocessen. Kan göras manuellt eller automatiskt.
• Smooth: Rundar av kanterna.
• Sharpen: Gör kanterna skarpare.
14
• Simplification: Simplifiera objektet genom att punkter och polygoner minskar detta behöver utföras om objektet ska överföras till en annan mjukvara till exempel SOLIDWORKS som har svårt att hantera större filer.
Figur 11. Efterbehandling av objekt i EXScan Pro.
4.1.5 Mätning av distanser på inskannat objekt
Måtten på den slutgiltiga digitala 3D-modellen måttas i EXScan Pro. Det är för att utreda hur bra toleranser objektet har jämt mot det objektet som har skannats. Det finns tre olika mätmetoder:
• Distance: Mäter distansen mellan två punkter som sätts ut manuellt på objektet.
• Surface Area: Mäter arean av de valda ytorna på objektet.
• Volume: Mäter volymen på objektet.
Figur 12. Mätning av objekt i EXScan Pro.
4.2 Ultimaker Cura
Ultimaker Cura är mjukvaran som samarbetar med 3D-skrivaren för att kunna skriva ut ett objekt som har ritats i CAD eller har skannats med 3D-skanner. I programmet visualiseras utskriften av objektet i 3D-skrivaren, där kan föremålet flyttas, roteras och skalas upp eller ner. Inställningen av vilket material som används i de olika munstyckena ställs också in i programmet för att få bästa temperaturen. Programmet har förinställda temperaturer för alla olika materialen som kan ställas in efter preferenser. Under fliken ’’Print Settings’’ kan alla olika parametrar för skrivaren ändras, även support som används vid överhängande geometrier aktiveras under den fliken. Slice nere i programmets högra hörn simulerar hur objektet ska framställas i 3D-skrivaren. Efter det visas det hur lång tid och även hur mycket material som kommer användas för framställningen av objektet.
15 Därefter kan filen som skapats sparas på valfri lagringsdisk för att sedan kunna skrivas ut i 3D- skrivaren.
Figur 13. Ultimaker Cura, objekt markerat med rött behöver köras med support.
4.3 SOLIDWORKS
SOLIDWORKS är en CAD-mjukvara som bygger på att flera delar av föremålet först ritas upp i 2D med definierade mått, för att sedan skapa en solid del i 3D-format av den ritade 2D-skissen.
Programmet har många funktioner som gör att skapandet av en detalj kan göras på olika sätt.
Ritningar och 3D-objekt kan skapas direkt i programmet med hjälp av delarna som skapats.
Figur 14. Objekt skapas i SOLIDWORKS.
16
5. Val och konstruktion av objekt
I detta avsnitt kommer de tre olika objekt som konstruerade med olika geometrier att beskrivas.
Konstruktion av objekten gjordes för att se vilka skanningstekniker som är lämpade för olika typer av geometrier.
5.1 Val av geometrier för skruv
Konstruktionen av skruven gjordes med avsikt att testa många olika geometrier på samma objekt.
Även en gänga som gick runt skruven skapades att få mer geometrier på själva cylindern för att testa om skannern skulle kunna skanna en cylinder med ett spår.
(a) (b)
Figur 15. (a) Färdigt objekt, skruv i SOLIDWORKS, (b) Förstoring av gäng på skruv.
5.2 Val av geometrier för timglas
Konstruktionen av timglaset gjordes för att ha en geometri som var homogen åt båda håll från dess mittpunkt och även att ett lutande plan ingår i geometrin. Det gjordes för att se om skannern kunde förstå att objektet var homogent och inte avbilda objektet på samma yta igen.
Figur 16. Färdigt objekt, timglas i SOLIDWORKS.
17
5.3 Val av geometrier för kub
Konstruktionen av kuben blev en öppen profil med en cirkel och kub i botten på den ’’ficka’’ som skapats. Detta för att se om skannern klarar av att skanna objekt inne i små utrymmen där ljuset har svårt att projiceras överallt.
Figur 17. Färdigt objekt, kub i SOLIDWORKS.
18
6. Val av mått på objekt för toleransanalys
I detta avsnitt kommer det beskrivas hur mätningen av de utskrivna objekten gick till. Valet av vilka mått som användes var om de kunna mätas med fysiskt skjutmått utifrån CAD-modellerna. Nedan kommer det att kunna ses vilka mått som togs på objekten för skruven, timglaset och kuben med bilder som illustrerar vart måtten utfördes. Måtten användes i sin tur för att utföra toleransanalyser för att se om skillnaderna mellan CAD, utskrivet och inskannat objekt blev godkända.
6.1 Distanser/streck på skruv
För skruven valdes följande mått, se figur 18:
A) Tjocklek hexagonal.
B) Längd på skruv.
C) Cylinder omkrets.
D) Innerbredd på spår.
E) Ytterbredd på spår.
F) Spårhöjd.
G) Avstånd mellan spår.
H) Sidor hexagonal.
(a) (b)
Figur 18. (a) Skruv med mått markerade med A, B, C, H., (b) Förstoring av gäng på skruv med mått markerade D, E, F, G.
19
6.2 Distanser/streck på timglas
För timglaset valdes följande mått, se figur 19:
A) Bas bredd/längd B) Bas tjocklek
C) Lutning bas bredd/längd D) Lutning höjd
E) Mittsektion höjd
F) Mittsektion bredd/längd
Figur 19. Timglas med mått markerade med A-F.
20
6.3 Distanser/streck på kub
För kuben valdes följande mått, se figur 20:
A) Bredd/längd.
B) Höjd på kub.
C) Djup på ficka.
D) Cirkel, diameter.
E) Cirkel, höjd.
F) Liten kub bredd/längd.
G) Liten kub höjd.
H) Väggtjocklek.
Figur 20. Kub med mått markerade med A-H.
21
7. Metod
I det här avsnittet kommer det beskrivas hur alla steg från start till slut gick till för de föremål som skapades. Från ett skissat objekt till toleransanalys var processen den samma för alla objekt.
Arbetsgången under projektet delas in i fem faser:
1. Skapa objekt i Solidworks.
2. Förberedelser i Ultimaker Cura inför utskrift 3. Utskrift av objektet i 3D-skrivaren.
4. Skanna objektet med 3D-skanner och titta på dess mått och toleranser.
5. Toleransanalys med de olika måtten.
7.1 Skapa objekt i SOLIDWORKS
Skapandet av de objekten börjas med skisser i programmet SOLIDWORKS. De slutgiltiga designerna blev av olika geometrier för att se vilka geometrier som är enklare att skannas med 3D-skannern.
SOLIDWORKS filerna sparas i formatet ’’STL’’ genom att välja ’’Mesh Files’’ som är en samling av 3D-objekt format. I och med att filen sparas i formatet ’’STL’’ kan den behandlas som ett 3D-objekt i andra program.
Figur 21. Sparade filer som 3D-objekt.
7.2 Förberedelser i Ultimaker Cura inför utskrift
Öppna det 3D-objekt som sparades ner från Solidworks i Ultimaker Cura. Ställ in alla parametrar efter behov och välj support om objektet har överhängande geometrier, välj sedan det material som sitter i skrivaren. Förflytta objektet i programmet till önskad position och skala eller rotera objektet om behov finns. Klicka sedan på ’’slice’’ för att se hur utskriften kommer bli. Då utskriften ser ut att vara korrekt sparas filen ned på en portabel lagringsenhet för att sedan skrivas ut i 3D- skrivaren.
22
7.3 Utskrift av objekt i 3D-skrivare
Rengör utskriftsplattan från eventuellt material som finns kvar från gamla utskrifter och titta även hur mycket utskriftmaterial som finns i skrivaren. När skrivaren är ren och material finns tas den portabla lagringsenheten och stoppas in i 3D-skrivaren. På 3D-skrivarens pekskärm väljer man
’’Select From USB’’ där kommer alla objekt från portabla lagringsenheten att visas. Därefter väljer man det objektet som ska skriva ut för att sedan komma till det sista steget. Där visas tiden och materialet som kommer gå åt för utskriften av föremålet. Klicka på ´´Start Print´´ för att börja skriva ut detaljen. Då man har klickat på ’’Start Print’’ kalibrerar skrivaren in utskriftsplattan för att se om den har samma höjd överallt. Om bordet är rent kommer utskriften att påbörjas, om bordet inte är rent kommer skrivaren att automatiskt avbryta utskriften som sedan måste startas om på nytt.
Då detaljen är klar klicka på ’’Confirm Removal’’ och skrapa loss det utskrivna objektet från utskriftsplattan. Om support har använts ska objektet sköljas med varmt vatten tills all support är borta. Efter att allt supportmaterial har sköljts bort kan objektet skannas in. Om inte support har använts kan objektet skannas in direkt.
Figur 22. Pekskärm på Ultimaker S5.
7.4 Skanna objekt med 3D-skanner och titta på dess mått
Starta upp EXScan Pro och starta skannern. Därefter kalibreras skannern enligt anvisningarna, om skannern är kalibrerad nyligt kan detta steg ignoreras. Välj sedan den skanningsmetod som ska användas välj sedan ’’New Work’’, där namnges skanningsfilen till det som önskas och även vart den ska sparas. Efter det får man beroende på val av skanningsmetod välja olika inställningar för de olika metoderna:
• (Fixed Scan) Val av om skanningen ska göras med färg eller utan.
• (HD Scan) Val av vilken upplösning som ska användas under skanningen.
• (Rapid Scan) Val om skanningen ska göras med färg eller utan, hur data ska justeras och vilken upplösning som önskas.
Klicka sedan på ’’Apply’’. Då startar skanningsläget, när ljuset är inställt och kameran är riktad mot objektet klicka på ’’Startscan’’ eller skannerns ´´Play´´ knapp vid handhållet läge för att starta skanningen. Då föremålet är skannat välj ’’Mesh Model’’ och sedan ’’Watertight Modell’’. Välj sedan den detaljnivå som ’’Mesh Modellen’’ ska ha. Därefter kan det solida objektet bearbetas om behov finns. Om inte gå vidare till att mäta objektet genom att klicka på punken under
’’Measurement’’ texten. Klicka på ’’Measurement Tools’’ och gör de mätningar som önskas.
7.5 Toleransanalys med de olika måtten
Efter alla måtten är utförda på det utskrivna objektet med ett digitalt skjutmått som hade en mätosäkerhet på 0,01 mm, jämförs dessa mot måtten från CAD-modellen och den inskannade 3D-
23 modellen. De jämförs i en tabell för att se om måtten från CAD-modellen till inskannad 3D-modell håller sig inom toleransen 0,2 mm för och därav avgöra om måtten blev godkända eller icke- godkända. Toleransen som valdes till 0,2 mm var för att den minsta punkt distansen för skannern som finns på skolan är 0,2 mm. Det innebär att största skillnaden mellan de olika stegen, från CAD till utskrivna objekt och slutligen inskannat objekt får maximalt skilja 0,2 mm på dess mått.
Toleransanalysen är till för att se om objekten behåller sina originaldimensioner från CAD till den slutgiltiga mätningen av 3D-modellen i EXScan Pro.
24
8. Resultat
Resultatet innehåller olika tabeller med mätdata av de olika objekten. Först presenteras tabeller med mått på de olika objekten för att se hur bra måtten överensstämde mellan CAD, 3D-utskrivet och 3D-skannat objekt med olika metoder. Till sist utförs en toleransanalys för att se om måtten är godkända eller icke-godkända.
I tabell 1, 3 och 5 kan man se en gemensam nämnare för resultaten. Det är att Fixed Scan fungerar på alla tre objekten och Rapid Scan fungerade inte på något av objekten. I sista spalten på de olika tabellerna kan det ses att de olika tillbehören som medföljer skannern har testats.
Skanningsmetoderna och tillbehören som har använts på de tre olika objekten är följande:
• Skruv: Fixed Scan, Rapid Scan och HD Scan med HD-kamera utan markeringar.
• Timglas: Fixed Scan, Rapid Scan, och HD Scan utan HD-kamera med markeringar.
• Kub: Fixed Scan, Rapid Scan och Rapid Scan med färgkamera.
8.1 Resultat för objekt Skruv
De olika måtten som mättes upp när olika typer av mätningar gjordes i SOLIDWORKS, med digitalt skjutmått och när skruven mättes i EXScan Pro, se tabell 1. Nedan i figur 23 (a), (b) och (c) ses de olika modellerna som användes vid mätning av skruven.
(a) (b) (c)
Figur 23. (a) 3D-modell av skruv i SOLIDWORKS, (b) 3D-utskriven skruv av SOLIDWORKS-modell, (c) Solid ’’Mesh Model’’ av skruv som har skannats med metoden Fixed Scan.
25 Tabell 1. Mått på modell i CAD, 3D utskrivet och olika skanningsmetoder på objektet skruv. Alla
mått i mm. FS – Fixed Scan, RS – Rapid Scan, HD – HD Scan med HD-kamera, sträck - gick ej att skanna.
Skruv SOLIDWORKS 3D-utskrift Digital 3D - FS Digital 3D – RS Digital 3D - HD Mått (1)
[mm]
Mått (2) [mm]
Mått (3) [mm]
Mått (4) [mm]
Mått (5) [mm]
A) Tjocklek hexagonal 10,00 10,02 9,959 - -
B) Längd på skruv 130,00 130,02 129,608 - -
C) Cylinder omkrets 40,00 39,98 40,046 - -
D) Innerbredd på spår 1,50 1,6 1,525 - -
E) Ytterbredd på spår 3,00 2,98 3,048 - -
F) Spårhöjd 2,00 1,95 2,039 - -
G) Avstånd mellan spår 5,00 4,92 4,977 - -
H) Sidor hexagonal 55,00 55,09 55,186 - -
Skanningsmetoderna Rapid Scan och HD Scan med HD-kamera och utan markeringar klarade ej av att skanna skruven då den var i färgen vit. Blev liknande resultat då skruven färgades om till färgen gul. Skannern kunde uppfatta färgen gul, se bilaga 3 men kunde bara ta en bild av objektet för att sedan misslyckas på nytt, se bilaga 4.
Sju av åtta toleranser blev godkända för mått mellan skruven i CAD, utskriven skruv och inskannad skruv, se tabell 2. Minsta differens mellan de olika åtta olika måtten var 0,061 mm och största differensen var 0,412 mm.
Tabell 2. Differens mellan mått för skruv i CAD, utskriven skruv och inskannad skruv med Fixed Scan. Alla mått i mm. Toleranserna kommenteras om de blev godkända eller icke-godkända.
Skruv, tolerans 0,2 mm Differens mellan mått Godkända toleranser Skillnad mellan (1), (2) och (3)
[mm] kommentar
A) Tjocklek hexagonal 0,061 JA
B) Längd på skruv 0,412 NEJ
C) Cylinder omkrets 0,066 JA
D) Innerbredd på spår 0,1 JA
E) Ytterbredd på spår 0,068 JA
F) Spårhöjd 0,089 JA
G) Avstånd mellan spår 0.08 JA
H) Sidor hexagonal 0,186 JA
26
8.2 Objekt Timglas
De olika måtten som mättes upp när olika typer av mätningar gjordes i SOLIDWORKS, med digitalt skjutmått och när timglas mättes i EXScan Pro, se tabell 3. Nedan i figur 24 (a), (b), (c) och (d) ses de olika modellerna som användes vid mätning av timglaset.
(a) (b)
(c) (d)
Figur 24. (a) 3D-modell av timglas i SOLIDWORKS, (b) 3D-utskrivet timglas av SOLIDWORKS- modell, (c) Solid ’’Mesh Model’’ av kub som har skannats med metoden Fixed Scan, (d) Solid
’’Mesh Model’’ av kub som har skannats med metoden HD Scan utan HD kamera och med markeringar.
27 Tabell 3. Mått på modell i CAD, 3D-utskrivet och olika skanningsmetoder på objektet timglas. Alla mått i mm. FS – Fixed Scan, RS – Rapid Scan, HD – HD Scan utan HD-kamera, sträck - gick ej att
skanna.
Timglas SOLIDWORKS 3D-utskrift Digital 3D - FS Digital 3D – RS Digital 3D - HD Mått (1)
[mm]
Mått (2) [mm]
Mått (3) [mm]
Mått (4) [mm]
Mått (5) [mm]
A) Bas bredd/längd 60,00 60,02 59,792 - 59,975
B) Bas tjocklek 5,00 5,04 5,148 - 5,151
C) Lutning bas bredd/längd 50,00 49,99 50,004 - 49,873
D) Lutning höjd 35,00 34,96 35,014 - 34,539
E) Mitten sektion höjd 20,00 19,93 20,006 - 20,125
F) Mitten sektion bredd/längd 17,36 17,66 17,375 - 17,563
Skanningsmetoden Rapid Scan klarade ej av att skanna timglaset då det var i färgen vit. Medan det gick att skanna timglaset i färgen vit med Fixed Scan och HD Scan utan HD-kamera och med markeringar, se bilaga 5 för timglas med markeringar. Ett problem med Fixed Scan var att skannern inte förstod att timglaset var homogent åt båda håll från dess mittlinje och därav fick skannern aldrig med en yta i skanningen, se bilaga 6.
Tre av sex toleranser blev godkända för mått mellan timglaset i CAD, utskrivet timglas och inskannat timglas, se tabell 4. Minsta differens mellan de olika sex olika måtten var 0,131 mm och största differensen var 0,475 mm.
Tabell 4. Differens mellan mått för timglas i CAD, utskrivet timglas och inskannat timglas med Fixed Scan samt HD Scan utan HD-kamera. Alla mått i mm. Toleranserna kommenteras om de
blev godkända eller icke-godkända.
Timglas, tolerans 0,2 mm Differens mellan mått Godkända toleranser Skillnad mellan (1), (2), (3) och (5)
[mm] kommentar
A) Bas bredd/längd 0,228 NEJ
B) Bas tjocklek 0,151 JA
C) Lutning bas bredd/längd 0,131 JA
D) Lutning höjd 0,475 NEJ
E) Mitten sektion höjd 0,195 JA
F) Mitten sektion bredd/längd 0,3 NEJ
28
8.3 Objekt Kub
De olika måtten som mättes upp när olika typer av mätningar gjordes i SOLIDWORKS, med digitalt skjutmått och när kuben mättes i EXScan Pro, se tabell 5. Nedan i figur 25 (a), (b) och (c) ses de olika modellerna som användes vid mätning av kuben.
(a) (b) (c)
Figur 25. (a) 3D-modell av kub i SOLIDWORKS, (b) 3D-utskriven kub av SOLIDWORKS-modell, (c) Solid ’’Mesh Model’’ av kub som har skannats med metoden Fixed Scan.
Tabell 5. Mått på modell i CAD, 3D utskrivet och olika skanningsmetoder på objektet kub. Alla mått i mm. FS – Fixed Scan, RS – Rapid Scan, RSF – Rapid Scan med färgkamera, sträck - gick ej att
skanna.
Kub SOLIDWORKS 3D-utskrift Digital 3D - FS Digital 3D – RS Digital 3D - RSF Mått (1)
[mm]
Mått (2) [mm]
Mått (3) [mm]
Mått (4) [mm]
Mått (5) [mm]
A) Bredd/längd 10,00 99,98 99,970 - -
B) Höjd på kub 50,00 49,96 49,871 - -
C) Djup på ficka 40,00 40,07 39,889 - -
D) Cirkel, diameter 20,00 19,98 19,997 - -
E) Cirkel höjd 10,00 9,98 9,935 - -
F) Liten kub bredd/längd 20,00 20,10 20,209 - -
G) Liten kub höjd 10,00 9,97 9,982 - -
H) Väggtjocklek 5,00 5,15 4,934 - -
Skanningsmetoderna Rapid Scan och Rapid Scan med färgkamera klarade ej av att skanna kuben då den var i färgen vit. Det blev fel i inskanningen då kuben färgades om till färgen blå, se bilaga 7.
Kuben testade att skannas igen med båda metoderna då den var i färgen blå men misslyckades på nytt. Skannern duplicerade samma skanningsyta på kuben flera gånger, se bilaga 8 och 9 för duplikation av yta under skanning.
Sex av åtta toleranser blev godkända för mått mellan kuben i CAD, utskriven kub och inskannad kub, se tabell 6. Minsta differens mellan de olika åtta olika måtten var 0,02 mm och största differensen var 0,216 mm.
29 Tabell 6. Differens mellan mått för kub i CAD, utskriven kub och inskannad kub med Fixed Scan.
Alla mått i mm. Toleranserna kommenteras om de blev godkända eller icke-godkända.
Kub, tolerans 0,2 mm Differens mellan mått Godkända toleranser Skillnad mellan (1), (2) och (3)
[mm] kommentar
A) Bredd/längd 0,03 JA
B) Höjd på kub 0,129 JA
C) Djup på ficka 0,181 JA
D) Cirkel, diameter 0,02 JA
E) Cirkel höjd 0,065 JA
F) Liten kub bredd/längd 0,209 NEJ
G) Liten kub höjd 0,03 JA
H) Väggtjocklek 0,216 NEJ
30
9. Diskussion och slutsatser
9.1 Allmän analys av de olika resultaten
Det som kan sägas generellt är att Fixed Scan var överlägset bäst på att skanna alla tre objekt oavsett färg. Det var också den metod som var enklast att använda då man ställer objektet på det roterbara bordet och låter skanningen sköta sig själv. Den skanningen som fick bästa resultaten var skruven med sju av åtta godkända toleranser och därefter kuben som fick sex av åtta godkända toleranser. Timglaset fick däremot tre av sex mått med underkända toleranser.
Resultatet av alla olika skanningar som utfördes var att skannern hade svårt för att få med objekten då Rapid Scan används oavsett vilken färg som valdes på objektet. Skruven och kuben kunde skannas efter att de målades om, dock med väldigt dåliga resultat som inte kunde användas. Även alla tillbehören som skannern kan använda utvärderades, det vill säga färgkameran och HD- kameran. Det som kan sägas om tillbehören är att det behöver objekt med mycket varierande geometrier för att de ska fungera felfritt. Med undantag om man kör med markeringar och HD- kamera. Den metoden kan användas på vilket objekt som helst med nackdelen att man behöver kunna ’’reverse engenering’’ för att fylla i hålen som skapas utav markeringarna på objektet efter inskanningen är klar.
Toleransanalysen av måtten på objekten har en viss osäkerhet i och med att manuella mätningar med skjutmått utfördes. Även vid mätning i mjukvaran EXScan Pro, där punkterna för distansmätningen placeras ut manuellt, finns en viss osäkerhet. Beroende på hur noggrann och hur mycket tid användaren har bestämmer hur bra måttet kommer bli.
9.1.1 Diskussion för resultat av skruv
Skruven var det föremål som jag var nästan helt säker på att den inte skulle gå och skanna med Rapid Scan, vilket även blev fallet. Enligt tidigare tester är runda föremål nästan helt omöjliga att skanna med Rapid Scan, men går bra att skanna med Fixed Scan.
För skruven kunde inte en komplett skanning utföras, då den skannades med Rapid Scan, det beror på att det var en kombination av mycket reflekterande ljus och lite varierande geometrier. Efter att skruven hade lackerats om till färgen gul blev det samma resultat igen då även färgen gul reflekterade mycket ljus och skannern kunde inte utför en komplett skanning. Det som hände under inskanningen var att det gick att få en första skanning av objektet, men då objektet skulle skannas vidare för att få en hel 3D-modell av skruven kunde inte skannern känna igen vilken yta den hade skannat. Direkt när man förflyttade skannern förstod den inte vart den befann sig i förhållande till skruven, och skannern gav en varning att man skulle återvända till den yta som redan hade skannats. Men det var väldigt svårt och misslyckades alla gånger som det testades.
Det resultatet som jag fick ut vid mätningar av den inskannade modellen med Fixed Scan jämfört mot den utskrivna skruven och CAD var att toleranserna blev förvånansvärt bra. De flesta måtten låg inom ett spann mellan 0,02 – 0,1 mm som i min mening är väldigt bra. Från utskrivet till skannat objekt var det ett mått som blev underkänt då det skiljde 0,412 mm. Varför höjden på skruven blev avvikande var därför att hexagonen i botten på skruven blev ojämn när den blev ’’meshad’’ efter skanningen i ExScan Pro.
9.1.2 Diskussion för resultat av timglas
Timglaset var det föremål som skapades för att testa och se hur skannern skulle klara av att skanna ett objekt som är homogent på båda sidor av dess mittlinje. Den metod som gick bäst på timglaset var Fixed Scan, med undantag att den inte fick med en sida. Från början vändes timglaset flera gånger då jag trodde att den sidan som inte blev inskannad var riktad mot bordet. Jag upptäckte senare att skannern inte kunde uppfatta när jag vände på timglaset och den slog ihop de olika
31 skanningarna på exakt samma sätt som den var skannad innan. Därav var det alltid en yta som var
’’tom’’ på objektet under skanningen.
Då markeringar applicerades på timglaset fungerade det att skanna objektet utan problem. För att sedan upptäcka att om man kör med markeringar på ett objekt då blir det ett dåligt resultat då föremålet ’’meshas’’. Det jag inte visste var att föremål som körs med markeringar måste genomgå
’’reverse engineering’’ för att ta bort hålen. Då jag inte gjorde det fyllde programmet i hålen och det slutgiltiga timglaset som måttades var väldigt grovt ifyllt.
Det resultatet som jag fick ut vid mätningar av det utskrivna timglaset jämfört mot CAD var att toleranserna blev förvånads värt bra. Måtten som blev uppmätta låg inom ett spann på 0,01 – 0,07 mm med undantag på ett mått som skiljde 0,27 mm. Varför det måttet var avvikande har jag ingen förklaring till, mest troligt för att skrivaren gjorde något fel då den använde ’’support’’ vid utskriften. Från utskrivet till skannat föremål var det tre underkända och tre godkända mätningar det är lite missvisande att skannern inte gjorde ett bra jobb. Om man granskar tabellerna kan man se att två av sex är underkända med Fixed Scan och en av sex är underkända med HD Scan med markeringar. Alltså om dessa två slås ihop blir det tre av sex underkända.
9.1.3 Diskussion för resultat av kub
Kuben var det föremål som jag trodde skannern skulle ha det enklast för att skanna. Jag trodde även att alla skanningsmetoder skulle fungera på den, men så blev inte fallet. Det som hände var att det var väldigt svårt att få med det lilla mellanrummet inne i fickan på sidorna utåt från lilla kuben och cirkeln. Det gick inte att få med dom ytorna oavsett hur kuben ställdes på det roterbara bordet.
Det resultatet som blev vid mätningar av den utskrivna kuben jämfört mot CAD var att toleranserna blev förvånansvärt bra. De flesta måtten låg inom ett spann mellan 0,02 – 0,1 mm. Med undantag på måtten av väggarna på 0,15 mm som fortfarande är godkänt, med det uppstod på grund av att väggarna hade fått defekter från utskriften och hade en oval form. Från utskrivet till skannat föremål var det 0,012 – 0,181 mm, det är ett ganska varierande resultat. Vad det beror på är att skannern inte fick med vissa små ytor i skanningen och då objektet fylldes i blir det en godtycklig i fyllning av hålet. På det mått som blev underkänt skiljde det 0,216 mm som även var tjockleken på väggen som redan var lite dåligt vid utskriften.
9.1.4 Diskussion kring skanner
Enligt resultaten ovan kan man se att de flesta måtten ligger inom toleransen 0,2 mm. När måtten inte ligger innanför toleransen beror det på den mänskliga faktorn, i och med att det alltid är användaren som tar måtten både med skjutmåttet och i ExScan Pro. Skannern i sig fungerar väldigt bra och är lätt att använda. Skannern kan skanna många objekt då den kan använda sig av tre olika skanningsmetoder. Men den är mest lämpad för att skanna detaljrika objekt, avancerade geometrier och ytor med låg reflektion. Även att den är handhållen gör det lätt att förflytta den.
9.2 Diskussion kring arbetets utförande
Jag skulle säga att arbetet gick bra utifrån att jag inte kunde någonting om 3D-skanning innan projektet började. Det blev mycket information som samlades in, innan några skanningar gjordes.
All fakta lade grund för att förstå principen med 3D-skanning och hur det används på ett korrekt sätt. Efter det testade jag skannern på många olika föremål med en bred variation på geometrier och färger, för att se vad skannern klarade av. Det tog ganska lång tid för att förstå vad skannern klarade av och inte som även var grunden för att objekten som skapades skulle testa skannerns duglighet.
Efter att objekten blev utskrivna i 3D-skrivaren upptäcktes det ganska snabbt att det alltid blir defekta områden på objektet som skrivs ut. Det beror mest troligt på att temperaturen i skrivaren
32 var för varm och därav fick alla tre geometrier någon form av skada. Det vanligaste var att vissa sektioner av materialet släppte från utskriftsplattan i 3D-skrivaren eller att material sjönk ihop lite och buktade ut på vissa ställen. Detta kunde säkert ha undvikits genom en kalibrering av inställningarna i 3D-skrivaren, men på grund av att tiden inte fanns valdes detta aldrig att utföras.
Installationen av alla mjukvara gick bra. Hur arbetsflödet gick från CAD till att utföra toleransanalys med 3D-skannern var lite avancerat i och med att det krävdes flera steg. Det var även lite krångligt att förstå vad alla funktioner i programmen gjorde till en början, men efter lite övning fick man en förståelse för när de olika funktionerna kunde användas. Det som var mest krångligt av alla programmen i min mening var EXScan Pro, som krävde att man förstår hur och när man kan använda de olika skanningsmetoderna.
Det var inga problem att utföra alla steg i arbetet, det var mer att alla moment som utförs tar väldigt lång tid. Utskriften i 3D-skrivaren tar mellan några timmar upp till tre dagar beroende hur stort objekt som ska skrivas ut. Även själva skanningen av det utskrivna 3D-objeket tar från några minuter upp till timmar, beroende på hur många olika vinklar objektet behöver skannas i för att få med alla ytor.
9.3 Diskussion av måluppfyllelse
Alla mål som presenterades tidigare i rapporten uppfylldes, med detta anser jag att syftet med arbetet är uppfyllt.
9.4 Diskussion av referenser och källor
I detta arbete har det försökts att användas pålitliga källor i form av forskningsarbeten och granskade vetenskapliga publikationer i internationella tidskrifter. Det har varit lätt att hitta bra litteratur, då det finns många vetenskapliga artiklar inom området. Även hemsidor från till exempel skaparna av 3D-skannern och 3D-skrivaren har använts.
Personligen upplever jag att det är lite svårt att veta vilka artiklar som är relevanta då det är första gången under tre år som vi har gjort det. För att hitta vetenskapliga artiklar krävs det kunskap om vad man ska söka på och det tar tid att läsa igenom det man hittar för att se om innehållet är relevant. Även språket i dessa artiklar är på engelska, majoriteten av artiklarna innehåller många komplicerade ord som behövde sökas upp för att man skulle förstå vad dessa betydde på svenska.
9.5 Användningsområden i framtiden
3D-skannern är definitivt något som kan användas i framtiden för att utföra mätningar av mått och för att replikera objekt med geometrier som tar för lång tid, eller inte kan återskapas i CAD. Inom maskinteknik kan skannern användas för att granska olika toleranser på objekt som är framställda i CNC-maskinen eller som bearbetas fram för hand. Den kan även användas för att skanna vissa saker som håller på att slitas ut eller har gått sönder, för att kunna skriva ut delarna direkt i 3D- skrivaren och ersätta den trasiga. Förutsatt att delen som ersätter den trasiga inte måste vara i något speciellt material till exempel metall. Då 3D-skrivaren som TFE använder sig av inte kan skriva ut i något annat material än olika typer av plaster.
Det är nog även bra att implementera 3D-skanning i grundutbildningen och låta studenterna få kännedom om hur det fungerar grundligt, då de går mer och mer mot att man använder sig av 3D- skanning i arbetslivet. 3D-skannern kan implementeras i kursen tillverkningsteknik och därav får studenterna lära sig att återskapa ett objekt med hjälp av skannern. För att implementera ’’reverse engineering’’ skulle det vara lämpligt att introducerad det under CAD-kursen som går i årskurs ett för att få lite kännedom om vad det är och hur det kan användas.
